 |
Increasing the efficiency of precision breeding in potato
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
120641 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Bánfalvi, Zsófia |
| Title in Hungarian |
A precíziós nemesítés hatékonyságának növelése burgonyában |
| Title in English |
Increasing the efficiency of precision breeding in potato |
| Keywords in Hungarian |
genom-szerkesztés, CRISPR/Cas9, transzformáció, burgonya |
| Keywords in English |
genome-editing, CRISPR/Cas9, transformation, potato |
| Discipline |
| Plant breeding (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Agricultural Biotechnology Institute (ABC) (National Agricultural Research and Innovation Centre) |
| Participants |
Csákvári, Edina
Csala, Diána Szilvia
Kondrák, Mihály Attila
Kopp, Andrea
Villányi, Vanda
|
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2020-03-31 |
| Funding (in million HUF) |
20.000 |
| FTE (full time equivalent) |
4.00 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A gyorsan növekvő népesség, az erőforrások szűkössége és a klímaváltozás olyan kihívások napjainkban, melyek szükségesebbé teszik, mint valaha, növénynemesítési módszereink hatékonyságának növelését. A növénynemesítők ma már a növény-genetikai ismeretek bővülésének köszönhetően célzott és ezáltal hatékony nemesítési módszereket is alkalmazhatnak. A molekuláris genetika vívmányaira támaszkodva precíziós nemesítéssel úgy javíthatunk kultúrnövényeink egy-egy kiválasztott tulajdonságán, hogy közben nem változtatjuk meg a többit. A nemrég létrehozott CRISPR/Cas9 genom-szerkesztő módszer forradalmasította a precíziós nemesítést. A CRISPR/Cas9 rendszer hatékonyságának, specifikusságának és flexibilitásának köszönhetően, pár éven belül a növénybiológusok legkedveltebb genom-szerkesztési módszerévé vált. Ahhoz azonban, hogy ezt a technikát a növénynemesítésben széleskörűen alkalmazni tudjuk, szükség van új vektorokra, genomikai ismeretekre és transzformációs protokollokra. Az általunk tervezett projekt célja egy marker-mentes genom-szerkesztésre alkalmas Agrobacterium-közvetítette transzformációs rendszer létrehozása és kipróbálása gén-kiütött és gén-javított burgonya vonalak izolálásával.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A CRISP/Cas9 rendszer segítségével aránylag könnyen helyspecifikus mutánsokat kaphatunk. A kívánt mutáció beviteléhez protoplaszt-, vagy Agrobacterium-közvetítette transzformációt vagy szövet-bombázást végzünk. De akármelyik módszerrel is dolgozunk, a mutánsok megtalálásához szelekcióra van szükségünk. A legtöbb nemesítés szempontjából fontos tulajdonságra azonban nem tudunk szelektálni, ezért valamilyen markert, legtöbbször valamilyen antibiotikum rezisztencia markert, használunk szelekcióra. Ezek a markerek azonban transzgénnek minősülnek, amitől meg kell szabadulnunk, ha köztermesztésbe vonható fajtát akarunk előállítani. Erre bevált módszer az önbeporzás vagy a keresztezés. Vannak azonban olyan fontos kultúrnövények, mint pl. a legtöbb burgonyafajta is, amelyek nem önbeporzók. A keresztezéssel viszont számos más tulajdonság is változik, amiket csak visszakeresztezések sorozatával tudunk visszahozni. Ezért szükség van egy hatékony marker-mentes genom-szerkesztési módszerre.
• Feltételezzük, hogy a „single guide” RNS (sgRNS) és a Cas9 tranziens expressziója is elegendő a burgonya genom-szerkesztéséhez és ezt tesztelni is fogjuk.
Termesztett burgonyafajtáink tetraploidok. Ahhoz, hogy egy mutáns kapjunk a domináns allélek mind a négy kópiáját módosítani kell. Ezért szeretnénk megválaszolni azt a kérdést, hogy:
• Elég hatékony-e a CRISP/Cas9 rendszer ahhoz, hogy gén-kiütött burgonya mutánsokat kapjunk?
A gyakorlati nemesítés szempontjából egyes gének javítása vagy vad fajból történő bevitele legalább olyan fontos, mint más gének elrontása. Ezért a kérdésünk a következő:
• Elég hatékony-e a CRISP/Cas9 rendszer ahhoz, hogy gén-javított burgonya mutánsokat kapjunk?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A CRISPR/Cas9 rendszer működését modell növényben vizsgálva ismeretet szereztünk a genom-szerkesztés pontosságáról és hatékonyságáról. Ennek az ismeretnek a birtokában megkezdődhetett a gazdaságilag fontos növények módosítása. Elvileg az átmenet könnyűnek tűnik. A valóságban azonban ez nem így van – a megvalósítás körültekintő tervezést és technikai fejlesztést igényel, főleg akkor, ha nem-transzgenikus genom-szerkesztett növényeket szeretnénk előállítani. A modell növénnyel, a lúdfűvel, végzett vizsgálatok bizonyították, hogy a módszer alkalmas több gén egyidejű megváltoztatására is, sőt egész nagy DNS szakaszokat, klasztereket is kiejthetünk vele. Sikeres volt a genom-szerkesztés rizsben, kukoricában, búzában és paradicsomban is. De két közlemény van már arról is, hogy sikerrel használható a CRISPR/Cas9 technika burgonyában is. Ezeket a kísérleteket azonban a genom-szerkesztésre használt konstrukció genomba építésével, antibiotikum szelekcióval végezték. Egy olyan vektor, amivel Agrobacterium segítségével, azaz a legkönnyebben kivitelezhető transzformációs módszerrel, marker-mentesen tudnánk a növényi genomokat szerkeszteni, nagyot lendítene a precíziós nemesítésen. Tudjuk, hogy a genom-szerkesztés kompetitív tudományterület; mind itthon, mind külföldön számos laboratóriumban alkalmazzák, illetve dolgoznak a tökéletesítésén. Ennek ellenére azt gondoljuk, hogy – ha erre a pályázatra támogatást kapunk – akkor két éven belül létre tudunk hozni egy új, nem-transzgenikus genom-szerkesztésre alkalmas vektorrendszert és meg tudjuk válaszolni azt a kérdést, hogy a CRISPR/Cas9 technikával hogyan módosíthatók a tetraploid növények.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A genom-szerkesztési technológiák olyan új molekuláris biológiai eljárások, aminek segítségével egyre egyszerűbben és pontosabban tudjuk megváltoztatni a legkülönbözőbb szervezetek genetikai állományát. A technika alkalmas arra, hogy az egyes gének vagy géncsoportok funkciójáról ismereteket szerezzünk, de arra is, hogy a hibákat célzottan kijavítsuk vagy az előnytelen tulajdonságokat előnyösre fordítsuk. Főleg ez utóbbira nagy szükségük van a növénynemesítőknek, akikre a Föld népességének növekedése és a klímaváltozás miatt egyre nagyobb felelősség hárul. A klasszikus nemesítési módszerek mellett ezért egyre szélesebb körben alkalmazzák a molekuláris biológiai technikákon alapuló precíziós nemesítési módszereket. Egy ilyen precíziós nemesítési módszer a genom-szerkesztés is. Ahhoz azonban, hogy ezzel a módszerrel ne vigyünk be idegen géneket a növényi genomba, technikai fejlesztésre van szükség. Tervezett kísérleteink célja egy olyan genom-szerkesztésre alkalmas vektorrendszer létrehozása és működésének vizsgálata burgonyában, amivel nem juttatunk be idegen géneket a növényi genomba. Emellett arra is keressük a választ, hogy alkalmasak-e a jelenlegi genom-szerkesztési módszerek az olyan összetett genomok módosítására is, mint amilyen a burgonyának van. Ha igen, akkor ezzel lehetőség nyílik a világ negyedik legnagyobb mennyiségben termesztett élelmiszernövénye, a burgonya célzott módon történő nemesítésére.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Rapidly increasing world population, scarcity of resources and climate change - in today's world, plant breeding is more important than ever, and it needs to be future-oriented and continue to enhance its methods. The plant breeder is nowadays in a position to use the increasing understanding of plant genetics to develop new methods for more precise, targeted and therefore efficient breeding. Precision breeding refers to a molecular technique of improving a trait while retaining other desirable traits. The recent development of the CRISPR/Cas9 genome-editing system has revolutionised the tools of the precision breeding. Owing largely to its efficiency, specificity, and flexibility, the CRISPR/Cas9 system has quickly become the preferred genome-editing tool of plant scientists. Nevertheless, before rational strategies can be designed to implement this technology to breed a wide array of crops there is a need to expand the availability of crop-specific vectors, genome resources and transformation protocols. The proposed project aims to develop a new vector suitable for marker-free genome-editing via Agrobacterium-mediated plant transformation and generate knock-out and knock-in potato lines as a proof of concept.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
It is relatively simple to create a site-specific mutation by using the CRISPR/Cas9 system. To deliver the desired mutation into the plant protoplast transformation, Agrobacterium-mediated transformation or callus bombardment is used. Independent on the method of transformation, however, a selection for the mutation event is needed. Since most of the mutations with the desired trait have no selectable or visible phenotype a marker, generally an antibiotic resistance marker, is used for selection. This marker is a transgene that has to be eliminated from the plants bred for commercial purposes. Self-pollination or outcrossing is a common technique to get rid of the transgene. Nevertheless, some important crops and cultivars as for example, most of the potato varieties, cannot be self-pollinated. Furthermore, crossing with other cultivars/lines results in a series of alterations, which have to be eradicated by backcrosses. Thus there is a need for an efficient marker-free genome-editing system for crops.
• We hypothesise that transient expression of the single guide RNA (sgRNA) and Cas9 is suitable for genome-editing in potato and we will test the validity of this hypothesis.
The commercial potato cultivars are tetraploid. To get knock-out mutant plants dominant genes should be modified in four copies. The question to be answered:
• Is the CRISPR/Cas9 system efficient enough to get knock-out potato lines?
In a breeding point of view, correction or introduction of a gene from a wild species can be as important as silencing or knock-out another one. Therefore, the next question to be answered:
• Is the CRISPR/Cas9 system efficient enough to get knock-in potato lines?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Studies performed using the CRISPR/Cas9 technology in model plant systems have generated considerable knowledge about the accuracy and efficiency of gene-editing. With this knowledge now in hand, researchers have begun to modify traits in economically important crops. In theory this transition seems straightforward. Nevertheless, practical implementation of this technique in a new species can be complicated without the proper strategic planning and technical developments. This is the case also in potato that is the world’s fourth most important food crop, following maize, wheat and rice. Moreover, this is especially true if we would like to create genome-edited non-transgenic crops. It has already been demonstrated in the model plant Arabidopsis that the CRISPR/Cas9 system allows multiplex gene editing by the simultaneous expression of two or more sgRNAs or deletions of entire clusters of genes. Successful genome-editing in case of crops was reported in rice, maize, wheat and tomato. There are even two publications on successfully using the CRISP/Cas9 system in potato. These works, however, were carried out with antibiotic selection for the insertion of the genome-editing construct into the plant genome. Thus a vector suitable for marker-free genome-editing based on Agrobacterium-mediated transformation, which is the easiest way of plant transformation, would have a great impact on precision plant breeding. We know that this research field is very competitive; both in Hungary and on abroad, several laboratories started to apply and improve this technology to modify different plant species in a precise way. Still, we believe that if we get funding we are competitive enough to set up a novel, versatile system and answer important questions on the efficiency of genome-editing in a tetraploid plant species within two years.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Genome-editing is the latest technique of molecular biology suitable for simple and precise genome modification of very different organisms. This technique can be used to get information on gene functions, for targeted correction of malfunctions and to turn disadvantageous traits to advantageous ones. Especially this last feature of the technique is important for plant breeders whose responsibility is getting enormous due to increase of human population and climate change. Thus, beside the classical breeding methods, precision breeding techniques are widely used. One of the precision breeding techniques is genome-editing. Nevertheless, to avoid introduction of foreign genes by genome-editing into crops there is a need for technical development. The aim of the proposed research is the development of a vector system suitable for foreign gene-free genome-editing in plants and testing its efficiency in potato. Furthermore, we are interested in knowing whether complex genomes, as potato has, can be modified by the current genome-editing tools. If yes, this would open the way for targeted breeding of potato, the World’s fourth most important food crop.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
